一种空间燃料电池电源系统设计与实现

面向空间应用,依据某航天器任务期间的功耗需求,采用燃料电池和蓄电池的架构,对1kW燃料电池电源系统的设计与实现进行研究。构建了1kW燃料电池电源系统仿真模型,对系统设计原理进行了仿真验证,并研制了1kW燃料电池电源系统样机,对系统典型的负载阶跃工况进行了试验测试。试验测试结果表明,1kW燃料电池电源系统在半载阶跃变化时,母线电压波动小于5V,调节时间小于25μs;整个运行过程系统工作正常稳定,能够满足航天器空间应用需求。     

基于燃料电池的复合电源式装载机分层控制

装载机能耗高、排放差, 研究装载机新能源技术具有重要意义。结合装载机工况特性提出了燃料电池与超级电容联合驱动的电源系统, 围绕复杂工况下燃料电池和超级电容系统动态模型的实时工况数据进行自适应能量管理策略研究。设计了复合电源拓扑结构与动力传动方案, 建立装载机复杂工况下系统多状态模型, 基于Haar小波理论对整车系统进行功率分流, 提出模糊逻辑能量管理策略动态平衡需求功率中的低频分量, 采用粒子群算法对控制系统进行优化。仿真结果显示:载荷功率经过最优阈值3层Haar小波处理后, 功率变化大幅度减缓, 有效提升燃料电池系统的寿命；模糊逻辑控制器输出的燃料电池功率曲线变化光滑, 超级电容SOC值处于设定区域内, 提高复合电源系统的综合效率；经过粒子群算法优化控制器后, 燃料电池输出平均功率同比下降约5%, 超级电容SOC值在约0.6达到动态平衡状态, 改善了装载机的动态响应和稳定性。      

二阶滑模控制在十字梁控制实验系统中的应用

为了削弱传统滑模控制在十字梁实验系统中应用所产生的抖振问题,运用了高阶滑模的设计思想设计了多输入多输出十字梁试验系统的输出跟踪二阶滑模控制器,从而实现了高阶滑模在多输入多输出系统中的应用,并对该系统进行了仿真,仿真结果表明,二阶滑模控制器能够有效地削弱系统产生的抖振.      

内增湿式质子交换膜燃料电池堆动态传热模型

建立了质子交换膜燃料电池阴极的传质模型,综合考虑了影响电堆传热的多个因素,在此基础上针对内增湿式燃料电池堆建立了动态传热模型.采用Runge-Kutta-Felhberg法对模型进行求解,对电流、反应物过量系数、压强、冷却水流量等对电堆温度的影响进行了研究.结果表明,当电流大于25A时电堆温度将不能自行稳定在80℃以下,采用水冷可以有效地将电堆温度控制在较理想的范围内.在额定功率为5kW的燃料电池堆试验台架上进行了热管理试验,试验结果同模型预测值吻合较好.     

小天体探测器电源系统方案设计及仿真

研究了小天体探测器在深空特殊环境下电源系统所面对的问题,提出了全调节母线能量直接传递的电源系统方案。根据探测器的轨道特性,分析了探测器在飞行过程中环境条件和不同负载等对电源系统的影响,考虑光照条件和峰值功率之间的关系,基于能量平衡的原理,对探测器的电源系统进行分析、设计。最后,通过数学仿真验证了方案设计的合理性。     

MIMO仿射型极值搜索系统的输出反馈滑模控制

针对一类多输入多输出(MIMO)仿射型非线性极值搜索系统的控制问题,提出了一种输出反馈滑模控制方法。将原系统分解为若干个单输入单输出(SISO)极值搜索子系统,并针对每个极值搜索子系统,考虑到系统状态量不可测的特点,以斜坡函数作为新系统输出量的参考跟踪信号,采用输出跟踪误差以及该误差符号函数的积分值建立切换函数,设计得到基于输出反馈的滑模极值搜索控制律。稳定性分析证明:在任意初始条件下,本文方法可使系统的输出量全局收敛至期望极值的任意小邻域内,并且所有状态量均一致范数有界。仿真结果验证了本文方法的有效性。      

基于Riccati方程解的高增益未知输入观测器设计

针对具有未知输入和测量噪声的一类Lipschitz非线性系统,研究了状态估计、噪声估计及未知输入重构问题.通过将输出噪声看作扩展状态,把原系统转化为描述系统.针对描述系统,首先基于Riccati方程的解,提出了一种高增益观测器设计方法,实现对系统状态的估计和测量噪声的重构;之后,设计二阶高增益滑模观测器精确估计输出的微分,并利用状态和输出微分的估计,提出了一种未知输入的重构方法.在一Riccati方程有解的前提下,所提出的未知输入和测量噪声的重构,均适用于强时变信号.最后,对一个实际模型仿真,验证所提出方法的有效性.      

一类反馈型非线性系统的跟踪控制

为了完成对一类反馈型非线性系统的控制,研究了该类非线性系统。首先,根据LaSalle不变性原理论证了一类自治系统收敛的引理。然后,引入误差函数,通过误差函数的Lyapunov函数寻找使得误差函数渐近稳定的控制器,再根据引理得出系统状态所跟踪的轨迹全部收敛,从而使得系统状态均有界,系统的输出趋于输入;论述了控制器使系统状态稳定的条件,给出了闭环系统稳定性的证明。最后,给出了一个固定翼飞机纵向运动飞行控制系统的算例,并且按照所提的方法设计了控制器,在MATLAB的Simulink模块下进行了仿真验证。结果表明,对于阶跃信号和正弦信号,所提出的控制方法能够使得飞机俯仰角快速收敛跟踪指令。      

超静平台动力学建模与解耦控制

以超静平台在未来高精度航天器主动隔振和精确指向控制中的应用为基础,针对柔性铰形式超静平台的动力学特点以及超静平台基础和载荷扰动作用的影响,建立一般形式的超静平台动力学模型;进一步推导解耦力控制方法,将超静平台由高度耦合的多输入多输出系统变为单输入单输出线性时不变系统,以此消除各支杆之间的相互作用,极大地简化了控制器设计;在此基础上,进行数值仿真分析与验证.仿真结果表明:基于所建立的一般形式超静平台动力学模型,采用解耦力控制方法能够很好地实现超静平台的主动振动控制,并且方法简单易于工程实现.     

燃料电池无人机动力系统半实物仿真

针对燃料电池无人机（UAV）动力系统飞行测试困难的问题,为了提升动力系统设计与开发水平,以燃料电池、锂电池、DC/DC功率转换器、电子调速器和直流无刷电机组成的动力系统作为实物介入,无人机动力学、自动驾驶仪、螺旋桨、飞行环境等数学模型为软件部分,无人机的油门信号控制及飞行过程中电机的载荷等为模拟仿真部分,以信号发生器、测功机及扭矩加载装置为软硬件接口,设计并搭建了燃料电池无人机动力系统半实物（HIL）仿真平台。面向典型任务剖面,基于状态机管理策略,对燃料电池/锂电池电动无人机的动力系统进行了半实物仿真研究,分析了半实物仿真平台和管理策略的有效性和实用性。      

干涉型光纤安防系统偏振误差机理分析

对应用于安全防范、石油管道监测的双马赫-曾德型光纤安防系统的结构及工作原理进行分析.针对现场测试结果,分析了影响系统精度的误差因素,提出影响系统精度和增加误报率主要是由于偏振态变化不一致导致的两路干涉信号幅值波动以及附加相位噪声引入的距离定位误差.并展开对系统偏振衰落形成机理及其主要影响因素的定量定性分析,同时建立数学模型,进行仿真计算.最后通过对双马赫-曾德型光纤安防系统样机进行实验,验证了分析结果的正确性.     

综合机载机电及环控系统新技术

首先对美国两种飞机综合机载机电系统发展方案做简单介绍,并进一步介绍了其中公共设备(机载机电)管理系统、多电飞机、"热油箱"燃油热管理系统、组合动力装置和热/能量管理组件等新技术概念内涵与关键问题,最后重点详细介绍了现代军用机先进的环控系统技术.      

火星尘埃对太阳电池阵的影响与电帘除尘研究

火星表面大量尘埃在太阳电池阵表面的累积将会导致其输出功率下降,甚至使太阳电池阵功能失效。近年来,电帘除尘方法被认为是在火星着陆任务中进行尘埃防护最有效的手段之一。本文开展了火星尘埃累积对三结砷化镓太阳电池性能影响的实验研究,得到了火星尘埃累积量与太阳电池电压、电流和相对输出功率数值模型;通过除尘技术分析,确定电帘除尘装置构型;依据制备得到的除尘电帘,对不同火星尘埃累积下电帘的除尘效率进行了研究,为火星着陆太阳电池阵遥测数据分析和开发自适应除尘太阳电池阵提供有力的技术支持。     

月面探测器燃料电池应用的初步研究

燃料电池是一种高效的清洁能源,早在20世纪60年代就成功应用于美国载人登月工程中。我国对燃料电池的研究工作开展较早,当前已初步具备了研发航天器燃料电池的技术能力,但由于燃料电池属于一次性能源,使其应用一直受限于航天领域,近年来我国新型航天器的研发为燃料电池提供了新的应用背景。在调研分析的基础上,提出了一种使用氢氧燃料电池作为月面探测器主电源的配置方案,通过与传统供电方案的综合比较总结了燃料电池的优点,并归纳了后续应用的关键技术和解决途径,为燃料电池在我国航天领域的应用提供了一种新思路。     

超磁致伸缩作动器小回线动态J-A模型

超磁致伸缩作动器（GMA）输入输出之间存在着磁滞非线性关系,当研究其中高频输出特性时,为了降低材料自身迟滞非线性特性的影响,往往选用零点与饱和状态之间线性度较好的不饱和小回线,因此很有必要开展动态不饱和小回线数学模型的研究。首先在综合研究磁致伸缩材料（GMM）和GMA结构动力学特性的基础上结合安培环路定理提出以励磁电流为输入、应变为输出的动态Jiles-Atherton（J-A）模型,然后在引入磁滞回线特性变量的基础上得出J-A模型关键模型参数对其特性的影响规律,根据不饱和小回线仿真与实验波形的偏离特性提出模型参数的修正方法得到不饱和小回线动态J-A模型。最后,在不同频率和不同饱和幅值下通过实验验证该数学模型的正确性。      

W波段多注交错双栅行波放大器的高频特性

提出了一种采用平面线性排列的3个圆形电子注代替平面带状电子注的W波段交错双栅行波放大器微型化慢波高频结构,并重点对其行波传输特性和输入输出耦合特性进行了仿真设计和参数优化.结果表明,这种平面微型化高频结构的行波传输色散特性良好且有很大的工作带宽,所产生的强轴向电场分布非常有利于电子注与高频场的能量交换和相互作用.在保证平面微型结构中圆形注通道直径和带状注通道高度相同的情况下,得到的耦合阻抗是带状注交错双栅慢波高频系统2~3倍,为行波放大器高效率的注波互作用和高功率输出提供了新的研究思路.为了与该交错双栅高频系统相匹配,提出了一种更为简单易行的输入与输出耦合结构,仅采用三周期渐变过渡段就可以实现反射系数S₁₁在较宽频带内低于-20dB的良好结果,更有利于行波放大器未来的工程实现与应用.      

功率级无刷直流电动机四象限运行模拟器设计

针对无刷直流电动机（BLDCM）驱动控制器在研发过程中全工况测试困难、测试成本高和研发周期长的问题，提出了一种采用分区间采样和解算方法的、具有四象限运行能力的功率级（PHIL）无刷直流电动机模拟器，替代实物电动机和机械负载装置完成对两两导通控制方式下无刷直流电动机驱动控制器的各项性能测试与可靠性试验。该模拟器由实时仿真器、电动机模拟变换器和多级式双向变换器3部分组成，实时仿真器负责采集被测电动机驱动控制器输出的PWM电压，实时解算电动机模型得到三相电流指令，控制电动机模拟变换器生成三相电流，多级式双向变换器负责维持模拟器输入、输出间的能量平衡关系，从而实现对四象限运行时无刷直流电动机的功率级模拟。实验结果表明:所提出的功率级无刷直流电动机模拟器模拟精度高、实时性好、测试灵活，能够有效替代实物电动机和机械负载装置，满足电动机驱动控制器的测试需求。